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上海富譽制冷設備工程有限公司
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閱讀：1353發布時間：2013-4-7
隨著人類空間技術的發展，各種航天器擔負著探測研究天體和地球的任務。空間低溫制冷技術主要是為衛星、飛船等航天器提供所需的低溫條件技術,及其制冷設備長期穩定工作的控制技術和制冷設備與被冷卻對象之間耦合技術。低溫制冷系統作為對地遙感衛星和深空探測航天器*的重要組成部分，必須加大開發力度，以滿足航天技術發展的急需。
一、對空間低溫制冷技術的要求
探測器的噪聲源主要有載流子熱運動引起的熱噪聲、復合噪聲和背景輻射噪聲，降低探測器及其光學系統的溫度可以有效地降低探測器的熱噪聲和背景輻射噪聲，提高探測器的精度和靈敏度。一般來說探測器的波長越長，需要的制冷溫度就越低。用于對地遙感的紅外探測器，其工作溫度在液氮溫區就可取得較為滿意的探測效果。而應用于宇宙背景探測、空間紅外觀測、毫米波亞毫米波探測、相對量測量以及空間磁場測量等深空探測和天文觀測的*，其探測器和光學系統必須工作在液氫或液氦溫區，有時甚至要工作在幾十毫開的極低溫區，才能降低探測器背景噪聲和輻射干擾，獲取分辨率較高的探測精度。此外采用量子超導干涉器件（SQUID）的高精度探測器也需要工作在1～8 K 這樣極低的溫度下。空間低溫制冷系統對航天器或有效載荷設備的結構布局、功能有著重要的影響，它需要根據航天器的使命進行特殊的設計，以確保深空探測器有關的設備能夠工作在合適的溫度范圍內。在進行低溫制冷系統設計時除了考慮制冷系統的制冷溫度、制冷功率、體積、質量、功耗等以外，還應滿足以下條件的約束：①航天器從發射到完成任務所經歷的力學環境和熱真空環境，具有較強的環境適應能力；②3年以上的工作壽命和空間長期免維護可靠性的工作要求；③自身產生的振動、噪聲和電磁干擾小；④空間微重力工作狀態；⑤適應航天器工作模式的要求。
二、空間低溫制冷技術的發展
空間低溫制冷機大金*空調根據工作方式可分為主動式熱泵循環和被動式制冷這兩種工作方式。通過制冷機做功把熱量從低溫端向高溫端輸運，并在冷溫空間中排放，以獲得有效的制冷量的方式稱為主動式熱泵循環制冷系統。通過輻射換熱或者存貯的低溫制冷劑的相變換熱，為被冷卻對象提供有效冷源的方式稱為被動式制冷。目前，適應航天器應用的低溫制冷設備主要有輻射制冷器、固體制冷器、超流氦杜瓦、機械制冷機，以及吸附式制冷機、3He-4He稀釋制冷機和絕熱去磁制冷機等。
自1966年在美國獲得成功應用后，已先后開發成功了適合不同軌道的多種的類型輻射制冷器，制冷溫度由200K降低到80K，制冷量從幾毫瓦提高數百毫瓦級。
隨著磁制冷技術的迅速發展，其研究工作也逐步從低溫向高溫發展。1976年，美國NASALewis和G.V.Brown首先采用金屬Gd為磁制冷介質，采用Stiring循環，在7T磁場下進行了室溫磁制冷試驗，開創了室溫磁制冷的新紀元。1996年12月宇航公司的工程師CarlZimm研制的室溫磁制冷樣機取得了突破性進展。他們采用了3kg稀上金屬作為磁工質，以水（加防凍劑）作為傳熱介質，以NbTi超導磁體產生磁化場，建立了一套室溫的磁制冷樣機（原理機）系統。該機設計較為，在磁制冷循環過程中能量損失很小，制冷效率很高（實際效率可達卡諾循環的30%）。
三、我國空間低溫制冷技術的現狀
我國的空間制冷技術經過40多年的發展，已研制成功了空間輻射制冷器、斯特林制冷機、脈沖管制冷機、固體制冷器、逆布雷頓制冷機等多種制冷設備，取得了一系列重要成就，建立了完整的航天工程體系。目前輻射制冷器依然是我國實用型遙感衛星的主要制冷方式。
如群壇空調網在逆布雷頓制冷技術研究方面也進行了探索；在深低溫機械制冷技術研究方面，浙江大學和中科院理化所采用多級脈管制冷機正在進行探索。中科院理化所研制的雙級脈管制冷機，zui低制冷溫度已經達到16.1 K，在20 K 可以提供80mW 制冷量,輸入功率200W。浙江大學研制的斯特林型兩級脈管制冷機zui低制冷溫度達到14.2 K。然而，在空間極低溫制冷溫區，我國還處于一片空白。
四、空間低溫制冷技術的發展趨勢及對其發展的建議
從國外航天技術發展來看，由于空間宇宙背景的“冷黑”條件，為了實現有效觀測與探測，均把低溫制冷技術作為關鍵的一項技術進行開發。從制冷技術的發展來看，從早期以被動制冷方式為主，逐步向多級機械制冷機為主的主動式制冷方式轉化；從單一的制冷方法向多種制冷方法復合制冷方式轉變［8］。在極低溫區從開式制冷向長壽命的閉式循環制冷方式轉化；從間斷工作向連續工作方式轉化。在空間低溫技術研究方面，我國與*技術的差距很大。隨著我國空間技術的發展，為低溫科技工作者帶來機遇與挑戰，不僅要為航天器提供滿足工作溫度要求的可靠冷源，還要掌握低溫制冷系統的空間應用與熱集成技術，有效地解決制冷設備的安裝與散熱、與冷焦面耦合技術、電磁兼容性、工作模式和系統控制等問題。根據不同的冷卻對象和要求，進行系統綜合設計，滿足各類長壽命航天器空間應用要求。同時應開展相關技術的研究工作，包括深低溫制冷技術、被動熱控制技術、低溫傳熱技術、絕熱技術、低溫測試技術、低溫過程材料等。在空間超流氦制冷技術研究方面，應加大投入，進行系統研究，綜合考慮空間應用的特殊因素，提出總體技術方案和實施途徑，并加以實施。在現有機械制冷技術基礎上，及時啟動空間多級機械制冷技術研究工作，以滿足未來深空探測技術的需求，為其空間應用做好技術貯備。
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